淺談直驅永磁發電機機側的弱磁控制

邢波

摘 要：在風力發電機組滿功率運行時，由于風況多變，存在變槳滯后等現象；此時主要的表現為：發電機轉速波動很大，而這種轉速的波動在一定范圍內是被允許的。對于雙饋發電機來說，此時可以通過降低雙饋發電機勵磁電流來降低磁通以達到控制功率輸出的目的；而直驅永磁電機由于采用永磁體作為磁場的提供者，其產生的磁場是無法調節的，那么在轉速發生波動的情況下，如果不采取任何措施，就會出現功率輸出會跟隨轉速波動而波動。能否讓永磁發電機如同雙饋發電機一樣控制磁通量來達到控制功率的效果，對此該文進行了分析與闡述。

關鍵詞：永磁電動機 永磁發電機 弱磁控制

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0069-03

在風力發電技術的發展過程中，有2個發展方向：一是雙饋異步風力發電，一是永磁同步風力發電；分別選用了永磁同步發電機與雙饋異步發電機作為發電主設備。

雙饋機組的異步發電機在結構上為定轉子三相對稱，轉子電流由滑環接入。通過增速齒輪箱將風速的變化傳遞到發電機，為保持定子電流頻率的恒定，可以控制轉子電流的頻率，從而實行了風電機組的功率控制。

永磁發電機組是以永磁發電機、全功率變流器為核心的風力發電系統，通過全功率變流器與高壓電網相聯，變流器將風電機組輸出的不停變化的交流電，首先變換成直流電，再通過逆變器逆變成電網需要的電壓、頻率和幅值及相位。

1 永磁發電機滿功率運行時存在的問題

在滿功率運行時，風況多變，存在變槳滯后的現象，此時主要的表現為：發電機轉速波動很大。而這種轉速的波動在一定范圍內是被允許的，例如：金風2.5 MW-121（葉片）風力發電機組額定轉速為m轉/min，最大允許的額定轉速為1.1倍的額定轉速。

對于雙饋發電機來說，此時可以通過降低雙饋發電機勵磁電流來降低磁通來達到控制功率輸出的目的；而直驅永磁電機由于采用的永磁體作為磁場的提供者，其產生的磁場是無法調節的，那么在轉速發生波動的情況下，如果不采取任何措施，會出現功率輸出會跟隨轉速波動而波動，最大功率將為1.1倍的額定功率；而根據有功功率高故障的觸發條件，此時就會造成機組的故障停機。

此時，首先想到將超發的有功功率消耗掉，那么根據目前風力發電機組設計來看，能夠快速消耗掉電能的元器件為制動電阻；但制動電阻的啟停是受到限制的，不可能長時間或頻繁啟動來消耗超發的電能。這種辦法不能解決超發，那么此時就會考慮，能不能讓永磁發電機如同雙饋發電機一樣控制磁通量來達到控制功率的效果。

2 永磁發電機采用了弱磁控制的控制方式

上節所述，在功率輸出恒定的情況下，永磁電動機為了得到更高的速度，采用了弱磁控制的方法，降低了磁通從而讓電動機得到了更高的速度。那么反過來考慮，在滿功率運行時，永磁發電機追求的是穩定的功率；在運轉過程中，如果轉速增大了，那么要想得到額定轉速下的額定功率，根據電動機控制原理，轉速增加的同時需要降低磁通，控制方法同樣為弱磁控制，即通過對發電機進行弱磁控制從而得到穩定的功率。

想要了解永磁發電機的弱磁控制，首先從原理及公式推導的方式，來說明永磁發電機轉矩都與哪些變量相關。

假設永磁同步電機：（1）磁路是線性且既沒有飽和現象，又不存在磁滯、渦流效應；（2）忽略漏感并認為永磁體的磁場是沿氣隙規則分布的。

通過坐標變換的理論，可以得到永磁同步電機在同步的旋轉坐標系下的電壓方程和轉矩方程（公式摘自吳浩烈的《電機及電力拖動基礎》），分別如下：

其中、為電機端電壓d和q軸分量；、為定子電流d和q軸分量；Ψd、Ψq為磁鏈d和q軸分量；ωr為轉子旋轉的電角速度；Rs為每相定子繞組的電樞電阻。

同步發電機d-q坐標系下的磁鏈方程為：

其中Ψf為轉子磁鏈，Ψd為定子磁鏈。

在旋轉的坐標系中：d軸是在轉子磁極軸線上，q軸超前90°的電角度，d、q軸的位置角為θ=θ0+ωrt。此時，永磁同步發電機轉子磁勢的方向與d軸方向一致。d-q坐標系下永磁同步發電機的空間矢量圖，如圖1所示。

假設永磁同步發電機的轉子磁鏈、定子d軸電感Ld、定子q電感Lq恒定不變，那么d、q坐標系下電壓、電流的關系為：

空載電勢Eq=ωrΨf，可以看出空載電勢Eq的方向是和轉子磁鏈Ψf的方向相一致。則：

根據上式中同步發電機的電壓、電流的關系，根據對稱原則，可以認為d軸方向此時電勢Eq=0。

可以得到同步發電機的電磁轉矩Te為：

其中p為多級永磁同步發電機的極對數。

從上式中可以看到，p為極對數是常數；永磁發電機的磁場認為是恒定值，發電機Ψf為常數；電感Ld、Lp是常數；Te的大小只與、相關。

綜上所述，永磁發電機的電磁轉矩只與d-q軸的電流分量相關；那么通過調節d-q軸的電流分量就可以控制發電機的轉矩，從而達到功率控制的目標。

3 永磁發電機的弱磁控制

上節所述，永磁發電機的電磁扭矩控制只與d-q軸的電流分量相關，下面開始從公式推導角度描述弱磁控制的方式。

3.1 數學模型

首先以筆者公司采用的永磁發電機為例，2.5 MW自主變流器控制簡圖見圖2所示。

從圖2中可以看到，由背靠背2套變流器一起控制發電機運行，由于2套變流柜的功能、用途、算法等均相同，所以選取一個變流器的機側單元做介紹。

PWM整流器的交流側與交流電壓電源（永磁發電機）；假設直流側是直流負載，典PWM整流器的主電路拓撲圖見圖3所示。

假定：Si（i=a，b，c）分別是三相橋臂的開關函數，可以定義開關函數Si=（1=Sip有效，0=Sin有效）根據圖3，根據電壓、電流定律，可得PWM整流器的一般數學模型為：

假設三相電壓平衡：ua+ub+uc=0；在三相無中線系統中，三相電流之和始終為零：ia+ib+ic=0。那么上式變為：

此時采用傅里葉變換進行求解，對發電機的控制不利。為了簡化，變換三相對稱靜止坐標系的模型轉換為d、q同步旋轉坐標系下的表達式為：

3.2 控制策略

同步發電機的控制策略，是基于轉子磁鏈的定向控制，采用了矢量控制策略；定子磁場的定向控制，采用了直接扭矩控制的控制方式。

而2.5 MW自主變流器采用的是PWM控制是一種矢量控制，那么控制方式為：基于轉子磁鏈的定向控制；主要采用零d軸電流控制。

零d軸電流控制，就是控制同步發電機d軸電流是0，根據之前章節得到的扭矩公式（9）：

對于永磁同步發電機，其轉子磁場可以認為是恒定的，這樣Te與iq是成正比關系。

假設電機給定的轉矩為Te*，可以推出給定的電流指令為iq*=0，iq=Te2*/（3pΨf），那么：

（11）

這樣可以通過對id和iq的控制，使其跟蹤給定的電流值 id和iq，則可以實現對同步發電機的轉矩和轉速的控制。 那么控制邏輯如圖4所示。

如圖4，對于電流分量id、iq，將其與給定的電流值id*、iq*做比較，將差量作為電流內環PI調節器的輸入量，通過PI調節器跟蹤給定值id*、iq*，PI調節器的輸出電壓分量ud、uq的，產生的調制電壓park逆變換，得到電壓矢量uα、uβ，最后通過SVPWM方法產生PWM波控制變流器上下臂的導通和關斷。

綜上所述，只要給定了一個Te*就可以計算出id*=0，iq*=Te2*/（3p），與id、iq比較通過PI調節器和park逆變換得到電壓矢量，然后通過SVPWM方法產生PWM波控制變流器上下臂的導通和關斷，使永磁發電機正常運轉。

3.3 機側弱磁控制簡圖擴展

公式（8）為d、q同步旋轉坐標系下的表達式，通過公式可以看到id、iq分別與機側電流、發電機轉子角速度ωr相關；而根據自主變流控制方式描述：扭矩給定Te*與發電機轉子角速度ωr、變流器根據實際功率計算出來的ωq相關；那么將圖4的控制簡圖進行擴展，可以得到擴展圖（見圖5所示）。

仔細看圖，可以發現控制框圖擴展后與機側控制框圖相差不多；通過圖片可以看到機側控制的3個閉環控制，其中：（1）紫線框內表示的部分為：電壓閉環控制；（2）紅色框內表示的部分為：電流閉環控制；（3）紅色框外部分為：速度環閉環控制。

其中電壓閉環控制、電流閉環控制的核心便是圖5所示弱磁控制，所以弱磁控制在永磁發電機中的作用極為重要。

4 結語

通過弱磁控制的公式推導、框圖的擴展最終推導出永磁發電機機側控制的控制簡圖；這說明了弱磁控制的重要性。通過調節永磁發電機d-q軸的電流分量就可以控制發電機的轉矩，從而達到功率控制的目標；可以使永磁發電機如同雙饋發電機一樣實現在不同轉速的情況下，實現恒功率控制。

參考文獻

[1] 吳浩烈.點機及電力拖動基礎[M].重慶大學出版社，2008.

[2] 胡書舉.直驅型風力發電系統概述[J].變頻器世界，2009（10）：

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